CN1908592A - 超声波流量计及其原理和技术 - Google Patents

Abstract

一种超声波流量计及其原理和技术，包括：超声波流量计、原理、技术，超声波流量计包括采样部分、计算部分、键盘显示部分，通过分别检测超声波流量计顺循环采样周期内和超声波流量计逆循环采样周期内标准时基振荡器19的震荡次数，即采样部分计数部20和计数部21的采样计数值N₁′、N₂′，在计算部分的单片机24内，运用本发明超声波流量计流速和流量的测量原理和本发明“延长传距技术”进行计算，实现流体流速和流量的测量。

Description

超声波流量计及其原理和技术

所属技术领域

本发明涉及一种能够测量管道中各种流体(液体、气体、不同液体的混合物、不同气体的混合物)的流速、流量、及其超声波在其流体中传播速度的超声波流量计及其原理和技术。尤其是能够显著提高超声波流量计的测量精度、显著扩大测量下限、显著适合各种管径，且能在当前流体中测得该流体静态时，超声波于其中传播速度的超声波流量计及其原理和技术。本发明还涉及超声波热量计和流量计标准表。

背景技术

目前，公知的超声波流量计的测量原理有多种不同的形式，其中主要有下列二种，它们所依据的原理如下：

一、时差法

据图5：

1是流体顺流方向超声波发射振子T₁

2是流体顺流方向超声波接收振子R₁

3是流体逆流方向超声波接收振子R₂

4是流体逆流方向超声波发射振子T₂

L是T₁和R₁之间的距离，也是T₂与R₂之间的距离

c是超声波在静止流体中的传播速度

u是流体的流速

“→u”代表流体的流动方向为箭头所指方向

据图5，当超声波传播方向与流体流动方向一致时，即流体顺流方向超声波发射振子T₁发射超声波，而流体顺流方向超声波接收振子R₁接收超声波时，其传播速度为c+u；而超声波传播方向与流体流动方向相反时，即流体逆流方向超声波发射振子T₂发射超声波，而流体逆流方向超声波接收振子R₂接收超声波时，其传播速度为c-u。由此可知，设t₁是超声波在流体中顺流方向由T₁传播到R₁所用的时间：

则

$t_1=\frac{L}{c+u}---\left(1\right)$

设t₂是超声波在流体中逆流方向由T₂传播到R₂所用的时间

则

$t_2=\frac{L}{c-u}---\left(2\right)$

由(1)式和(2)式得

$2u=L(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})---\left(3\right)$

因此，顺逆流情况下超声波传播时间差Δt＝t₂-t₁，则(3)式可表示为：

$u=\frac{\mathrm{\Δt}\·L}{2t_1\·(\mathrm{\Δt}+t_1)}---\left(4\right)$

由(4)式可知，流体流速u与 成正比，比例系数 为常数，不受温度变化影响，只需将超声波顺流传播时间t₁及超声波逆、顺流在L距离传播时间差Δt代入，进行运算即可求得流体流速u。

以上时差法参考机械工业出版社出版的《流量测量技术及仪表》一书第305页、310页、311页而写。该书由北京铭成印刷有限公司印刷，新华书店北京发行所发行，2002年6月第一版第一次印刷。

主  编：梁国伟  蔡武昌

编写人：盛  健  郑健英  程  峰

二、声循环法

图6是表示现有技术的超声波流量计的一例的方框图。图6所示的超声波流量计例如公开在非专利文件1中。如图6所示，超声波振子1及2配置成夹住流过流体的流路14的状态。超声波振子1及2分别起到了发送器和接受器的功能。就是说，当超声波振子1作为发射器使用时，超声波振子2作为接收器使用；当超声波振子2作为发射器使用时，超声波振子1作为接收器使用。如图6所示，超声波振子1以及2之间所形成的超声波传播路径与流体的流动方向呈θ角倾斜。

当使超声波从超声波振子1向超声波振子2传播时，由于超声波相对流体流动沿顺方向前进，其速度就变快，相反，当超声波从超声波振子2向超声波振子1传播时，由于超声波相对流体流动沿逆方向前进，其速度就变慢。因此，由超声波振子1到超声波振子2的超声波传播时间和超声波振子2到超声波振子1的超声波传播时间的差，可以求出流体的速度。另外，还可以通过流路14的截面积和流速的积求出流量。

根据上述原理，作为求流体流量的具体方法，说明一下由声循环法的测量方法。

如图6所示，超声波流量计包括发送部3以及接受部6，超声波振子1通过切换部10与发送部3或接收部6中的一方进行有选择的连接。此时，超声波振子2与超声波振子1未连接的发送部3或接收部6中的一方连接。

当发送部3和超声波振子1连接时，发送部3驱动超声波振子1，产生的超声波横穿流动的流体而到达超声波振子2。由超声波振子2所接收的超声波，被转换成电信号，接收信号由接收部6放大。在零交叉检测部7，检测出接收信号达到规定电平之后的第一个零交叉点，生成零交叉检测信号。所谓零交叉点是指，接收信号的振幅从正到负，或从负到正发生变化的点。把这个零交叉点，作为超声波到达超声波振子2的时刻。根据零交叉检测信号，在延迟规定时间的时刻生成触发信号，输入到发送部3。把从生成零交叉检测信号到生成触发信号之间的时间叫做延迟时间。

发送部3根据触发信号驱动超声波振子1，产生下一个超声波。把这种超声波的发送—接收—放大、延迟—发送的环形反复循环称为声循环。循环次数称做声循环数。

在计时部9，计测规定次数、重复循环需要的时间，并将计测结果传送到流量计算部11。接着，切换切换部10，将超声波振子2作为发送器使用，将超声波振子1作为接收器使用时，进行同样的测量。

从通过上述方法测量的时间中减去迟延时间与声循环数相乘的值，再除以声循环数后所得的值即为超声波传播时间。设将超声波振子1作为发送侧时的传播时间t₁，设将超声波振子2作为发送侧时的传播时间t₂。

另外，如图6所示，设超声波振子1与超声波振子2之间的距离为L，并设流体的流速及超声波的音速分别为u以及c。

此时，t₁及t₂可用下面的式子表示。

$\left.\begin{array}{c}{t}_1=\frac{L}{c+u\cos \mathrm{\θ}}\\ t_2=\frac{L}{c-u\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

由上式可得表示流速的下面的式子，

$u=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})---\left(6\right)$

如果可求出流体流速u，便可由流路14的截面积和流速u的积求出流量Q。

(非专利文件)

日本电气计测器工业会规格，JEMI5032“超声波的流量测量法”日本电气计测工业会1987年。声循环法摘录于下列“发明专利申请公开说明书”。

[19]中华人民共和国国家知识产权局

[12]发明专利申请公开说明书

[21]申请号03123080.6

[51]INC CI⁷

    GOIF 1/66

[43]公开日2003年11月12日

[11]公开号CN1455230A

[22]申请日2003年4月30日

[21]申请号03123080.6

[71]申请人  松下电器产业株式会社

    地  址  日本大坂府

[72]发明人  杉内刚彦  桥本雅彦

[74]专利代理机构  中科专利商标代理有限责任公司

    代理人  汪惠民

以上背景技术中公知的超声波流量计的主要两种测量原理：时差法和声循环法虽然有许多优越之处，但是这些公知的超声波流量计用于测量小管径中流体流速较小时，由于其流量计的精度受仪表自身对时间测量误差、流体管径、流体流速和物理量测不准的约束，即由于流量计的精度不可能高于该流量计对时间测量的精度，并且管径越小、流速越小，超声波由管径一侧分别沿流体顺、逆流方向传播到另一侧的时间差越小，当这时间差小到该流量计自身对时间测量精度不可达到时，其测量便产生了很大的误差，以至不能测量。

发明内容

为了克服公知的现有超声波流量计及其原理和技术用于测量小管径内流体流速较小时，产生大的误差，使其精度大为降低的技术问题，本发明提供一种超声波流量计及其原理和技术。该超声波流量计及其原理和技术，不仅能适用于目前公知的超声波流量计适用的各种场合，而且能显著减小小管径内流体流速较小时的相对误差，显著提高超声波流量计的测量精度，显著扩大超声波流量计的测量下限(可测小管径内更小的流速)，显著适合各种大小管径内流体流速、流量的测量。

本发明解决其技术问题的技术方案是：提出一种超声波流量计测量管内流体流速的新原理，采用了一种新技术，用该原理和技术克服了公知超声波流量计精度受流体管径和流体流速约束，解决了在流体流速很小时，超声波分别由管径一侧沿流体流速顺逆方向传播到另一侧的时间差小到现有超声波流量计自身对时间测量精度不可达时，对其不可测量的问题。并用该原理和技术指导并实施了超声波流量计的电子电路。下面从这三个方面分别进行论述。

超声波流量计测量管内流体流速的新原理：

本原理是对背景技术中的1.时差法进行深入研究而来。本发明超声波流量计及其原理和技术实施例1框图：

设“→u”为流体流动方向为箭头所指方向，u为流体在直径D上的平均流速，c为超声波在该流体处于静态时于其中的传播速度；θ为超声波顺流传播时其方向与流体流速的夹角，c₁为超声波在流体流经流管35介质内的传播速度。

超声波顺流传播途径及电路工作即顺循环过程如下：

发送部1驱动超声波振子28发射超声波→经流体流经流管35管壁上侧m点进入流体流经流管35→沿mo穿透流体流经流管35上侧管壁入射到o点→在o点经折射沿oo′穿透流体入射到o′点→在o′点经折射沿o′m′穿透流体流经流管35下侧管壁于m′点被超声波振子29接收→经接收部2放大→正波峰检测器3→或门7→与门11→发送部1，形成超声波顺循环，设其超声波顺循环频率为f_s.，周期为T_S。

超声波逆流传播途径及电路工作即逆循环过程如下：

发送部4驱动超声波振子30发射超声波→经流体流经流管35管壁上侧v点进入流体流经流管35→沿vu穿透流体流经流管35上侧管壁入射到u点→在u点经折射沿uu′穿透流体入射到u′点→在u′点经折射沿u′v′穿透流体流经流管35下侧管壁于v′点被超声波振子31接收→经接收部5放大→正波峰检测器6→或门9→与门12→发送部4，形成超声波逆循环，设其超声波逆循环频率为f_N.，周期为T_N。

设超声波顺流传播途径中：

t₁是超声波在流体中传播距离oo′所需的时间；

是超声波在流体流经流管35管壁上侧传播mo距离所用的时间，因流体流经流管35上下管壁对称，所以

也是超声波在流体流经流管35管壁下侧传播距离o′m′所用的时间。

τ′是超声波接收振子29于m′点接收超声波经接收部2、正波峰检测器3、或门7、与门11、发送部1、超声波发射振子28到m点的电路延迟时间。

t₁′是超声波从m′经τ′所经电路，再经τ所经途径和t₁所经途径的时间和。

设超声波顺流传播途径与逆流传播途径对轴xx′轴对称。

设超声波逆流传播途径中：

t₂是超声波在流体中传播距离uu′(uu′＝oo′)所需的时间；

是超声波在流体流经流管35管壁上侧传播距离vu(vu＝mo)所用的时间，当然也是超声波在流体流经流管35管壁下侧传播距离u′v′(u′v′＝o′m′)所用的时间。

τ″是超声波接收振子31于v′点接收超声波经接收部5、正波峰检测器6、或门9、与门12、发送部4、超声波发射振子30到v点的电路延迟时间。

t₂′是超声波从v′经τ″所经电路，再经τ所经途径和t₂所经途径的时间和。

根据上述所设，应有下式成立

$\left.\begin{array}{c}{t}_1^{\′}=t_1+\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}^{\′}\\ t_2^{\′}=t_2+\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}^{\′\′}\end{array}\right\}---\left(7\right)$

(7)式中

$\left.\begin{array}{c}{t}_1=\frac{o{o}^{\′}}{c+u\cos \mathrm{\θ}}\\ t_2=\frac{u{u}^{\′}}{c-u\cos \mathrm{\θ}}=\frac{o{o}^{\′}}{c-u\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right\}---\left(8\right)$

由(8)式

$c+u\cos \mathrm{\θ}=\frac{o{o}^{\′}}{t_1}---\left(9\right)$

$c-u\cos \mathrm{\θ}=\frac{o{o}^{\′}}{t_2}---\left(10\right)$

因为

                         c＝f·λ                                     (11)

(11)式中：

f是超声波振荡频率，并设此f值就是标准时基振荡器19的振荡频率值。λ是超声波在上述f频率时的超声波波长，此频率远远大于f_s、f_N。

现在我们再用λ去除流体流速u，得

$\frac{u}{\mathrm{\λ}}=n---\left(12\right)$

(12)式中n是u对λ的倍数。

将(11)式和(12)式代入(9)式和(10)式的左式有

$c+u\cos \mathrm{\θ}=\mathrm{f\λ}+\mathrm{n\λ}\cos \mathrm{\θ}$

$=f(1+\frac{n\cos \mathrm{\θ}}{f})\mathrm{\λ}---\left(13\right)$

$c-u\cos \mathrm{\θ}=\mathrm{f\λ}-\mathrm{n\λ}\cos \mathrm{\θ}$

$=f(1-\frac{n\cos \mathrm{\θ}}{f})\mathrm{\λ}---\left(14\right)$

设(13)式中右式中

$f(1+\frac{n\cos \mathrm{\θ}}{f})\mathrm{\λ}=f{\mathrm{\λ}}_1---\left(15\right)$

设(14)式中右式中

$f(1-\frac{n\cos \mathrm{\θ}}{f})\mathrm{\λ}=f{\mathrm{\λ}}_2---\left(16\right)$

此处我们定义

为流体流速对超声波波长的影响系数

将(15)式代入(13)式，得

               c+ucosθ＝fλ₁                         (17)

λ₁为超声波在oo′方向传播时的波长

将(16)式代入(14)式，得

               c-ucosθ＝fλ₂                         (18)

λ₂为超声波在uu′方向传播时的波长

(17)式减(18)式，得

               2ucosθ＝f(λ₁-λ₂)                    (19)

将(17)式、(18)式代入(8)式，得

$\left.\begin{array}{c}{t}_{1}f=\frac{o{o}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_1}\\ t_{2}f=\frac{o{o}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_2}\end{array}\right\}---\left(20\right)$

再设

$\left.\begin{array}{c}{t}_{1}f=n_1\\ t_{2}f=n_2\end{array}\right\}---\left(21\right)$

n₁是超声波沿oo′传播时，在oo′距离上的超声波波数

n₂是超声波沿uu′传播时，在uu′距离上的超声波波数

将(21)式代入(20)式，得

${\mathrm{\λ}}_1=\frac{o{o}^{\′}}{n_1}---\left(22\right)$

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{o{o}^{\′}}{n_2}---\left(23\right)$

将(22)式和(23)式代入(19)式，得

$2u\cos \mathrm{\θ}=f(\frac{o{o}^{\′}}{n_1}-\frac{o{o}^{\′}}{n_2})$

即

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\·\frac{o{o}^{\′}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(24\right)$

(24)式即为本发明超声波流量计测量管内流体流速的新原理。

采用的新技术：

本发明所采用的新技术是：延长超声波流量计测量流体流速时，超声波在流体中的传播距离，此处简称“延长传距技术”。

此技术如下实施：

将(24)式等式右边式子的分子和分母同乘以一个正整数N，

即

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\·\frac{N}{N}\·\frac{o{o}^{\′}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(25\right)$

设

                      N₂＝n₂·N                    (26)

N₂是uu′扩大N正整数倍后，超声波沿扩大后的距离N·uu′(N·uu′＝N·oo′)传播时，在距离N·uu′上的超声波波数。

                      N₁＝n₁·N                    (27)

N₁是oo′扩大N正整数倍后，超声波沿扩大后的距离N·oo′传播时，在距离N·oo′上的超声波波数。

将(26)式和(27)式代入(25)式，得

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·o{o}^{\′}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(28\right)$

由(28)式可看出，N₁、N₂分别是oo′与uu′，即oo′扩大了N倍后，顺逆流超声波传播所需时间内，标准时基振荡器19的振荡次数，因oo′、uu′皆扩大N倍，所以称做“延长传距技术”。

(28)式即本发明在新技术应用于新原理(24)式后，得出的测量流管内流体流速的新式子。另外，本发明的超声波流量计测量管内流体流速的新原理(24)式、新技术应用于新原理(24)式后得出的测量流管内流体流速的新式子(28)式，也可由本说明书(3)式直接推出。

(3)式应用于图1时，等式左边应写为2ucosθ，(3)式分子、分母同乘以f，得

$u=(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})\·\frac{f}{f}\·\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}---\left(29\right)$

(29)式中，设

                      t₂f＝n₂                      (30)

                      t₁f＝n₁                      (31)

(30)式和(31)式实际就是(21)式，将(30)式和(31)式代入(29)式，即得：

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\·\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(32\right)$

(32)式即为本发明超声波流量计测量管内流体流速的新原理(24)式。

将(32)式等式右边分子和分母同乘以正整数N，并将(26)式和(27)式代入，得

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\·\frac{N}{N}\·\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f$

$=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(33\right)$

(33)式即为本发明新技术应用于新原理(24)式后得出的测量流管内流体流速的新式子(28)式。

现在，我们再用本超声波流量的新原理和新技术，求得在被测流体处于静态时，超声波于其中的传播速度c。

将(17)式和(18)式等式两边分别相加

                      2c＝f(λ₁+λ₂)               (34)

由(22)式得 $n_1=\frac{o{o}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_1}$ 和(23)式得 $n_2=\frac{o{o}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_2}$ 代入(34)式可得

$2c=f(\frac{o{o}^{\′}}{n_1}+\frac{o{o}^{\′}}{n_2})---\left(35\right)$

由(35)式得

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\·\frac{o{o}^{\′}}{2}\·f---\left(36\right)$

再用本发明简称“延长传距技术”，将(36)式右边式子分子分母同乘以正整数N，得

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\·\frac{N}{N}\·\frac{o{o}^{\′}}{2}\·f$

$=(\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·o{o}^{\′}}{2}\·f---\left(37\right)$

因为图1中

$o{o}^{\′}=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}}---\left(38\right)$

将(38)式分别代入(24)式、(28)式、(36)式和(37)式，分别得出如下各式

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\·\frac{D/\mathrm{sim\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(39\right)$

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·D/\sin \mathrm{\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f---\left(40\right)$

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\·\frac{D/\sin \mathrm{\θ}}{2}\·f---\left(41\right)$

$c=(\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·D/\sin \mathrm{\θ}}{2}\·f---\left(42\right)$

在(39)式和(41)式中，由(8)式和(21)式可知，n₁是超声波顺流传播oo′距离所需时间t₁内的标准时基振荡器19的振荡次数；n₂是超声波逆流传播uu′(uu′＝oo′)距离所需时间t₂内的标准时基振荡器19的振荡次数。

而在(40)式和(42)式中，由(25)式、(26)式和(27)式可知，N₁是超声波顺流传播oo′距离扩大N倍后所需时间t₁·N内的标准时基振荡器19的振荡次数；N₂是超声波逆流传播uu′(uu′＝oo′)距离扩大N倍后所需时间t₂·N内的标准时基振荡器19的振荡次数。

在(39)式和(41)式中D、f和θ都是已知数，所以只要能测量出n₁和n₂，就可用(39)式和(41)式分别计算出流体流经流管35内的流体流速u和该流体处于静态时超声波于其中的传播速度c(流体动态时进行测量测出c)，并且在流体处于不同温度下都可测量。

但用(39)式测流体流速u、用(41)式测超声波在流体静态时于其中的传播速度c时，只有(39)式和(41)式中的f频率越来越高时，才能越来越减小u和c的测量误差，(39)式和(41)式由于没有应用本发明的新技术，即简称“延长传距技术”，所以其测u和c的结果和背景技术中的“时差法1”和“声循环法2”(n₂和n₁同声循环法一样可循环N次后，求出其算术平均值)处于同一水平，我们将(39)式

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\·\frac{D/\sin \mathrm{\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f$

称做“超声波测量管内流体流速的新原理”。

而将(41)式

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\·\frac{D/\sin \mathrm{\θ}}{2}\·f$

称做“超声波在管内流体动态时测量该流体静态时超声波于其中传播速度c的新原理”。

为了达到本说明书“所属技术领域”内容中提到的“本发明涉及一种能够测量管道中各种流体(液体、气体、不同液体的混合物、不同气体的混合物)的流速、流量，及其超声波在其流体中传播速度的超声波流量计及其原理和技术，尤其是能够显著提高超声波流量计的测量精度、显著扩大测量下限、显著适合各种管径、且能在当前流体中测得该流体处于静态时，超声波于其中传播速度的超声波流量计及其原理和技术”的目的。本发明将“延长传距技术”应用于(39)式即“超声波测量管内流体流速的新原理”[以下简称“新原理(39)式”]和(41)式即“超声波在管内流体动态时测量该流体静态时超声波于其中传播速度c的新原理”(以下简称“测c新原理(41)式”)，分别得(40)式和(42)式，即

$u=\frac{N_2-N_1}{N_2\·N_1}\·\frac{N\·D/\sin \mathrm{\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f$

$c=\frac{N_2+N_1}{N_2\·N_1}\·\frac{N\·D}{2\sin \mathrm{\θ}}\·f$

应用(40)式和(42)式测流体流速u和超声波于该流体中的传播速度c时，即可实现本发明的目的。(40)式涵盖了本发明“新原理(39)式”和本发明新技术“延长传距技术”。

(42)式涵盖了本发明“测c新原理(41)式”和本发明新技术“延长传距技术”。

应该特别指出：本发明新技术“延长传距技术”也可用于背景技术“声循环法2”中的(6)式，即将(6)式

$u=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

等式右边分子、分母同乘以正整数N，得

$u=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·\frac{N}{N}\·(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

$=\frac{N\·L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·(\frac{1}{N\·t_1}-\frac{1}{N\·t_2})---\left(43\right)$

设(43)式中

$\left.\begin{array}{c}N\·t_2=T_2\\ N\·t_1=T_1\end{array}\right\}---\left(44\right)$

(44)式中，T₂是“声循环法2”电子电路框图图6中，将超声波振子2作为发射侧时发射超声波到超声波振子1所需时间t₂的N倍，T₁是将超声波振子1作为发射侧时发射超声波到超声波振子2所需时间t₁的N倍。

将(44)式代入(43)式，得

$u=(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})\·\frac{N\·L}{2\cos \mathrm{\θ}}---\left(45\right)$

用(45)式测量图6中的流体的流路14中的流体流速u可以达到本发明的发明目的。

其实(45)式不过是(40)式的另外一种表达形式罢了。因为如果设(40)式中的频率为f(图1中标准时基振荡器19的频率)的振荡其周期为T，将(40)式右边式子的分子、分母同乘以周期T，则得

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\·\frac{T}{T}\·\frac{N\·D/\sin \mathrm{\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f$

$=(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})\·\frac{N\·L}{2\cos \mathrm{\θ}}$

此式就是(45)式。所以(45)式也就自然成为本发明涵盖的内容。以上由于采用了“延长传距技术”，所以其测量误差远远小于公知的上述的超声波流量计的误差，使本发明的超声波流量计的精度远远高于公知的上述超声波流量计的精度，从而达到了本发明的目的。

据上所述，本发明从理论和技术上已完成了下述四大内容，即：

①提出本发明新原理(39)式，测c新原理(41)式。

②提出本发明新技术——“延长传距技术”，即(40)式等式右边分子 使超声波在有限管径D中传播的距离 扩大N倍。同时使(40)式中右边式子中的N₂和N₁分别成为超声波在逆、顺流传播 距离所需时间内的标准时基振荡器19的振荡次数；在(45)式等式右边分子中N·L使超声波传播的距离L扩大N倍，同时使(45)式中右边的式子中的T₂、T₁分别成为超声波在逆、顺传播N·L距离所需的时间。

③提出(40)式、(42)式即

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·D/\sin \mathrm{\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f$

$c=(\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·D}{2\sin \mathrm{\θ}}\·f$

④提出(45)式即

$u=(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})\·\frac{N\·L}{2\cos \mathrm{\θ}}$

现在，来计算图1中流体流经流管35，经过时间t的流体流量Q_t。在实际测量中，流体流经流管35的流速u是随时间t变化的，我们将测量Q_t的时间t划分为很多小单元Λt_i，可写为：

$t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_i,i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·,n---\left(46\right)$

现设流体流经流管35横截面内圆面积为S，则

$S=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}---\left(47\right)$

设 u_i是在Λt_i时间内S面积上的流体的平均流速，则当(46)式i值越大时，Λt_i值就越小。当Λt_i小到一定程度时，在Λt_i时间内的流体流动可看成是稳定流动。这样Λt_i时间内S面积上的平均流速 u_i就等于这个稳定流动流体的流速，如此可求得Λt_i时间内，(47)式所表示的S面积上的流量Q_i。

$Q_i={\stackrel{\‾}{u}}_i\·\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·\mathrm{\Δ}{t}_i---\left(48\right)$

设Q_t是(46)式t时间内通过(47)式所表示的S面积上t时间内的流量，则

$Q_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{u}}_i\·\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\mathrm{\Δ}{t}_i,(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·,n)---\left(49\right)$

而(40)式、(45)式

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\·\frac{N\·D/\sin \mathrm{\θ}}{2\cos \mathrm{\θ}}\·f$

$u=(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})\·\frac{N\·L}{2\cos \mathrm{\θ}}$

所求出的u实际上是(47)式S圆面直径D上的平均流速。

由雷诺数

$R_e=\frac{\mathrm{\ρ}\·{\stackrel{\‾}{u}}_i\·D}{\mathrm{\η}}---\left(50\right)$

(50)式中，R_e是被测流体的雷诺数；ρ是被测流体的密度；D是被测流体流经流管35的内径；η是被测流体动力粘度或称粘滞系数； u_i是(48)式中所表示的 u_i：

当(50)式的

                      R_e≤2320                     (51)

被测流体为层流状态。

当(50)式的

                      R_e＞2320                     (52)

被测流体将开始变成湍流状态。

(40)式和(45)式是用于超声波流量计测量充分发展了的管内流动所具有的流体，在图1流体流经流管35直径D上的平均流速u的式子。

当流体为层流状态时

${\stackrel{\‾}{u}}_i=\frac{3}{4}u---\left(53\right)$

当流体为湍流状态时

${\stackrel{\‾}{u}}_i=\frac{2n}{2n+1}u---\left(54\right)$

(54)式中的n是随雷诺数不同而变化的正数(此处的n非12式的n)。(53)式和(54)式要想成立，必须(40)式和(45)式符合“香农(shannon)采样定理”：如果随时间变化的模拟信号[对图1而言，就是(40)式和(45)式中的u]的最高频率为f_c，只要对它在一定时间内进行足够的采样，就可以保持这个模拟信号的性质，其条件是

$T<\frac{1}{2f_c}---\left(55\right)$

其中T为采样周期(此处T非图1中标准时基振荡器19的震荡周期)，2f_c为最低采样频率。

此处的T在本计算中和(46)式的Δt_i应有下列关系，即

                      Δt_i≤T                      (56)

(55)式、(56)式指出：(40)式和(45)式中的正整数N不能无限制的增大。因为N的增大必然引起超声波传播距离的增长，这样(40)式、(45)式分别采样(40)式和(45)式中的N₂、N₁的周期T也必然延长，结果使(55)式和(56)式不成立。

所以(55)式和(56)式为(40)式和(45)式中的正整数N的取值提供了条件。当(55)、(56)式成立时，取

$\left.\begin{array}{c}T<\frac{1}{{2f}_c}\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_i\&le;T\end{array}\right\}---\left(57\right)$

由(8)式：

$t_1=\frac{o{o}^{\&prime;}}{c+u\cos \mathrm{\&theta;}}$

$t_2=\frac{o{o}^{\&prime;}}{c-u\cos \mathrm{\&theta;}}$

知，t₂＞t₁，以t₂作为采样周期T的一部分时间，(57)式的T除以(8)式的t₂即得“延长传距技术”即(40)式、(45)式中的

N·L中的N。

$N=\frac{T}{t_2}---\left(58\right)$

但是(8)式的t₂是随(8)式中的u变化的，当u的变化范围由u_min变到u_max时，其t₂由t_2min变到t_2max，此时(58)式的N将由N_max变到N_min。由于(40)式和(45)式中的N一旦取定，将不再改变，此时，若取N_max作为(40)式和(45)式中的N，当流体流速u是u_max时，其对应的t_2max和所取值N_max的乘积将使(58)式的T增大，这样使(55)式不成立；若取N_min作为(40)式和(45)式中的N，当流体流速u是u_max时，其对应的t_2max和所取值N_min的乘积将使(55)式也成立。

由上所述，(40)式和(45)式中的N应取由(8)式中u是u_max时所对应的t_2max代入(58)式计算出的N_min取整后的值(不四舍五入，小数点后的数字全部取掉)，作为(40)式和(45)式中 N·L中的N。为了给计算部单片机24以足够计算时间，此处N还可以适当取小。

经上论述，(40)式和(45)式的N值可以确定，此时(53)式、(54)式将成立。将(40)式、(45)式分别代入(53)式和(54)式后，再将(53)式、(54)式的u_i代入(49)式，得

以上(39)式、(40)式、(41)式、(42)式、(45)式、(59)式、(60)式、(61)式、(62)式，即

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f$

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f$

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f$

$c=(\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f$

$u=(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;L}{2\cos \mathrm{\&theta;}}$

皆是在(7)式中的τ、τ′和τ″不予考虑的情况下推得的，但实际使用以上各式时，(7)式中的τ、τ′和τ″必须予以考虑。

因为(7)式中的τ可以根据

$\mathrm{\&tau;}=2\&times;\frac{1}{2}\mathrm{\&tau;}$

$=2\&times;\frac{\mathrm{om}}{c_1}$ (图1)

预先进行精确测量；而τ′和τ″也可在超声波流量计出厂前预先进行精确测量，所以τ、τ′和τ″皆可看作已知量。

现将(7)式中的t₁、t₂和(21)式的n₁、n₂，(27)、(26)式的N₁、N₂分别代入有关(39)式、(40)式、(41)式、(42)式、(45)式、(59)式、(60)式、(61)式和(62)各式，可得出实际使用的式子。据(7)式，导出

$\left.\begin{array}{c}{t}_1=t_1^{\&prime;}-\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\\ t_2=t_2^{\&prime;}-\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\end{array}\right\}---\left(63\right)$

将(63)式代入(21)式

                      t₁·f＝n₁

                      t₂·f＝n₂

中，得

$\left.\begin{array}{c}{n}_1=t_{1}f=(t_1^{\&prime;}-\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})f=t_1^{\&prime;}f-(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})f\\ n_2=t_{2}f=(t_2^{\&prime;}-\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})f=t_2^{\&prime;}f-(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})f\end{array}\right\}---\left(64\right)$

设(64)式中

$\left.\begin{array}{c}{t}_1^{\&prime;}f=n_1^{\&prime;}\\ t_2^{\&prime;}f=n_2^{\&prime;}\end{array}\right\}---\left(65\right)$

n₁′、n₂′分别是(7)式中t₁′、t₂′时间内的高频时基振荡器19的震荡次数

$\left.\begin{array}{c}(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})f=n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\\ (\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})f=n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\end{array}\right\}---\left(66\right)$

n_τ′、n_τ″分别是(7)式中(τ+τ′)、(τ+τ″)时间内的高频时基振荡器19的震荡次数

将(65)式、(66)式代入(64)式，得

$\left.\begin{array}{c}{n}_1=n_1^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\\ n_2=n_2^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\end{array}\right\}---\left(67\right)$

将(67)式代入(39)式和(41)式，得

$u=(\frac{1}{n_1^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}}-\frac{1}{n_2^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(68\right)$

$c=(\frac{1}{n_1^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}}+\frac{1}{n_2^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f---\left(69\right)$

(68)式中等式右边分子、分母同乘以正整数N，得

$u=(\frac{1}{n_1^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}}-\frac{1}{n_2^{\&prime;}-n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{N}{N}\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(70\right)$

(70)式中，设

$\left.\begin{array}{c}{n}_2^{\&prime;}N=N_2^{\&prime;}\\ n_1^{\&prime;}N=N_1^{\&prime;}\\ n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}N=N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\\ n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}N=N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\end{array}\right\}---\left(71\right)$

N₂′、N₁′、N_τ″、N_τ′分别是(7)式中t₂′、t₁′、(τ+τ″)、(τ+τ′)时间扩大N倍后其内的高频时基振荡器19的震荡次数

将(71)式代入(70)式，得

$u=(\frac{1}{N_1^{\&prime;}-N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}}-\frac{1}{N_2^{\&prime;}-N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{\mathrm{ND}/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(72\right)$

同理可得

$c=(\frac{1}{N_1^{\&prime;}-N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}}+\frac{1}{N_2^{\&prime;}-N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{\mathrm{ND}/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f---\left(73\right)$

而根据(63)式等式两边同乘以N后，得

$\left.\begin{array}{c}N\&CenterDot;t_2=(t_2^{\&prime;}-\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})N=t_2^{\&prime;}\&CenterDot;N-(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})N=T_2\\ N\&CenterDot;t_1=(t_1^{\&prime;}-\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})N=t_1^{\&prime;}\&CenterDot;N-(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})N=T_1\end{array}\right\}---\left(74\right)$

设(74)式中

$\left.\begin{array}{c}{t}_2^{\&prime;}\&CenterDot;N=T_2^{\&prime;}\\ (\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})N=T_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\\ t_1^{\&prime;}\&CenterDot;N=T_1^{\&prime;}\\ (\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})N=T_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\end{array}\right\}---\left(75\right)$

将(75)式代入(74)式后，再代入(45)式得

$u=(\frac{1}{T_1^{\&prime;}-T_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}}-\frac{1}{T_2^{\&prime;}-T_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;L}{2\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(76\right)$

将(72)式代入(53)式、(54)式后，再代入(49)式；将(76)式代入(53)式、(54)式后，再代入(49)式，得

以上(72)式、(73)式、(76)式、(77)式、(78)式、(79)式和(80)式，就是在考虑(7)式中的τ、τ′、τ″时得出的式子，这些式子可在实际工况时使用。

下面根据有关理论来确定N，确定N有两种办法：

其一是经验确定法：“在计算机工业生产过程的测控系统中，采样周期通常由采样定理指明选择f_s的准则，并通过实际实验来确定T_s。根据长期经验的积累，经常按照表10-1所示的经验数据查表选择T_s。从表10-1可见，对于不同被控变量应取不同的采样周期T_s”。有了T_s，再根据(58)式确定N。

         表10-1采样周期的经验数据表

被控变量	采样周期Ts(秒)	优先使用Ts(秒)
			流量	1-5	1-2

以上根据经验来确定T_s摘录于：

“全国计算机等级考试教程(三级A)——硬件技术及应用”一书第465页，该书由电子工业出版社出版，陈铁年、孙德文主编，1997年6月第一版，1997年6月第一次印刷。

其二是根据香农采样定理确定，在本说明书中就可以根据(55)式

$T<\frac{1}{2f_c}$

和(56)式

                      T≤Δt_i

及(58)式

$N=\frac{T}{t_2}$

对t₂取t_2max时，取N_min为(72)、(73)、(76)、(77)、(78)、(79)、(80)各式中的N。

对于流速剧烈变化的被测流体，应充分考虑技术上的动态要求，这种情况下，也可用香农采样定理确定N，需根据“流量测量技术及仪表”一书第37页，流量仪表的动态特性图2-4，流量计动态响应特性曲线中的1时间域表示法的特性曲线，将曲线用一函数v＝v(t)代替，其v(t)的最大值用一般超声波流量计的测量上限v_max代替，求出63v_max％的值，然后根据动态响应时间域表示法动态响应的品质时间常数T(此处的T非本发明的采样周期T或超声波周期T，是原书内容意义的T)，T是v(t)从0增大到63v_max％所用时间，T越小动态响应越好，如此根据品质时间常数T的要求，可求出具体的函数v＝v(t)；再补充函数变量定义域，使v＝v(t)在(-T，+T)上连续、收敛；再展为富氏级数，根据富氏级数考虑需考虑的谐波次数，可求出(55)式中的2f_c，当然也可根据(55)式计算出其最大采样周期T，这样确定的N值，可使超声波流量计满足流体动态特性，其动态响应好。

以上《流量测量技术及仪表》一书，其情况本说明书已提及，在此不再重复。

一般典型超声波流量计测量流体流速范围：

被测流体为气体，测量管径(mm)200-400，可测流速范围为2.5-25m/s；被测流体为水或其他液体，测量管径1-15m，可测流速范围为0.3-20m/s，而测量管径(mm)100-200，可测流速范围为0.5-20m/s。(此一般典型超声波流量计测量流体流速范围选自《航空传感器实用手册》469页表12-27超声波流量传感器。该书是机械工业出版社出版，1995年6月第一版，1997年10月第三次印刷。北京昌平精工印刷厂印刷，新华书店北京发行所发行。)

上式各式中的τ′、τ″，在实际制造图1的超声波流量计时，因各台超声波流量计所选电路器件延迟性能的随机性，所以各台超声波流量计的τ′、τ″皆不会完全相同。但由于超声波流量计制造为成品时，每台超声波流量计所选电路器件已经选就，所以各式中的τ′、τ″是可以确定的。

由于(72)式、(73)式、(76)式、(77)式、(78)式、(79)式和(80)式中，因D/sinθ和L延长N倍是连续进行的，所以N_τ′、N_τ″、T_τ′、T_τ″可以对D/sinθ和L延长N倍后整体连续测量后确定，得值后供编程使用。

由以上我们还可以得到结论：本发明超声波流量计及其原理和技术：①图1中的标准时基振荡器19的频率f越高，其测量误差越小，精度越高。②在能满足香农采样定理的前提下，采样周期越长，本发明“延长传距技术”的N越大，其测量误差越小，对稳定流动而言，其精度也越高；对不稳定流动而言，由于采样周期的延长，其动态响应品质下降，测量误差要增大，精度也相应降低，但仍在采样定理限定的范围内。在实际应用中，应根据实际工况要求，取合适的采样周期和标准时基振荡器19的频率f，以便掌握制造本发明超声波流量计动态响应品质和成本，同时又能满足实际需要。

本发明有益的效果时，克服了公知的现有超声波流量计用于测量小管径内流体流速较小时，产生大的误差，使其精度大为降低的问题，显著减小小管径内流体流速较小时的误差，显著扩大了超声波流量计的测量下限，显著提高了超声波流量计的精确度，显著适合各种大小管径内流动流体的测量。

附图说明

图1是说明本发明超声波流量计及其原理和技术的实施例1的原理框图。

图2是说明本发明超声波流量计及其原理和技术的实施例2的原理框图。

图3是说明本发明超声波流量计(热量计)及其原理和技术的实施例3的原理框图。

图4是说明本发明超声波流量计(热量计)及其原理和技术的实施例4的原理框图。

图中：

1、发送部

2、接收部

3、正波峰检测器

4、发送部

5、接收部

6、正波峰检测器

7、或门

8、单稳

9、或门

10、单稳

11、与门

12、与门

13、单片机异步计数器(或异步计数器)

14、单片机异步计数器(或异步计数器)

15、与门

16、双稳

17、与门

18、双稳

19、标准时基振荡器

20、计数部

21、计数部

22、I/O接口芯片

23、I/O接口芯片

24、单片机

25、键盘、显示接口芯片

26、显示部

27、键盘部

28、超声波发射振子

29、超声波接收振子

30、超声波发射振子

31、超声波接收振子

32、温度敏感元件

33、温度敏感元件

34、放大器

35、流体流经流管

36、放大器

37、A/D接口芯片

38、超声波发射、接收振子

39、超声波发射、接收振子

40、电子模拟开关

41、电子模拟开关

具体实施方式

下面就本发明的超声波流量计(热量计)及其原理和技术的优选实施例进行说明。

为了问题的方便，在此设：

超声波流量计采样周期为T_c

超声波流量计顺循环采样周期为T_sc，频率为f_sc

超声波流量计逆循环采样周期为T_Nc，频率为f_Nc

超声波顺循环周期为T_s，频率为f_s

超声波逆循环周期为T_N，频率为f_N

T_c是(59)、(60)、(61)、(62)、(77)、(78)、(79)、(80)式中的Δt_i

T_sc在当不考虑τ、τ′、τ″时，是(40)、(42)、(59)、(60)式中超声波流量计顺循环采样N₁值所需时间，是(45)、(61)、(62)式中的T₁，即T_sc＝T₁；当考虑τ、τ′、τ″时，是(72)、(73)、(77)、(78)式中超声波流量计顺循环采样N₁′值所需时间，是(76)、(79)、(80)式中的T₁′，即T_sc＝T₁′。实质是完成N次超声波顺循环所用时间。

T_Nc在当不考虑τ、τ′、τ″时，是(40)、(42)、(59)、(60)式中超声波流量计逆循环采样N₂值所需时间，是(45)、(61)、(62)式中的T₂，即T_Nc＝T₂；当考虑τ、τ′、τ″时，是(72)、(73)、(77)、(78)式中超声波流量计逆循环采样N₂′值所需时间，是(76)、(79)、(80)式中的T₂′，即T_Nc＝T₂′。实质是完成N次超声波逆循环所用时间。

值得提出的是，上述各量均是所测流体流速u的函数。

下面就本发明的超声波流量计(热量计)及其原理和技术的优选实施例进行说明

(实施例1)

图1是本发明的超声波流量计及其原理和技术实施例1的原理框图。

实施例1超声波流量计包括：发送部1、接收部2、正波峰检测器3、发送部4、接收部5、正波峰检测器6、或门7、单稳8、或门9、单稳10、与门11、与门12、单片机异步计数器13、单片机异步计数器14、与门15、双稳16、与门17、双稳18、标准时基振荡器19、计数部20、计数部21、I/O接口芯片22、I/O接口芯片23、单片机24、键盘显示接口芯片25、显示部26、键盘部27、超声波发射振子28、超声波接收振子29、超声波发射振子30、超声波接收振子31、流体流经流管35。

图1所示的超声波流量计大致可分为三大部分，采样部分、计算部分和键盘显示部分。

采样部分由图1中计数部20、计数部21两个计数部(皆为异步计数器，其位数应满足采样需求并超过需求)及其左边各电路部件共同组成。

计算部分由单片机24组成。

采样部分和计算部分由I/O接口芯片22、I/O接口芯片23连接。

在采样部分中，标准时基振荡器19不受图1电路中其余部件和流体流速控制，只要接

通电源，就不停地进行振荡，输出远远高于超声波顺循环和超声波逆循环频率的高频方波脉冲系列。

采样部分进行采样或不采样，由采样部分内的控制部件双稳16、双稳18、单稳8、单稳10、与门11、与门12、与门15、与门17、或门7、或门9进行控制(所有与门、或门均带施密特触发器)，而这些控制部件又有选择地直接或间接受采样部分内单片机异步计数器13(或异步计数器)、单片机异步计数器14(或异步计数器)和计算部分的单片机24的控制。

每个采样周期的开始必须由计算部分单片机24的I/O口B端输出一高电平方波信号引起，同时控制采样部分内的控制部件双稳16、双稳18置位，即使其Q端皆为高电平。双稳18的Q端高电平打开与门17和与门12，与门17使标准时基振荡器19的高频脉冲系列通过与门17进入计数部21进行计数；与门12使：单片机24的I/O口B端的高电平信号在单稳10产生一输出正脉冲信号通过或门9被与门12允许通过输入到并激活发送部4；而双稳16的Q端高电平打开与门15和与门11，与门15使标准时基振荡器19的高电平脉冲系列通过与门15进入计数部20进行计数，与门11使：单片机24的I/O口B端的高电平信号在单稳8产生一输出正脉冲信号通过或门7被与门11允许通过输入到并激活发送部1。

发送部4驱动逆流方向超声波发射振子30发射超声波穿过vu-uu′-u′v′路径，被逆流超声波接收振子31接收，再经接收部5放大后，被正波峰检测器6检出正波峰时刻并输出一高电平信号，分别输入到或门9和单片机异步计数器14，输入到或门9的信号通过或门9，再通过与门12到发送部4，形成超声波逆循环，设其超声波逆循环频率为f_N，超声波逆循环周期为T_N。每循环一次，经接收部5放大输入到正波峰检测器6检出正波峰后，输出到单片机异步计数器14的信号，就被单片机异步计数器14计数一次。在单片机异步计数器14内置入本发明“延长传距技术”中的正整数N(即将N值编入单片机14程序中)，使单片机异步计数器14计数到N时，产生溢出中断，输出一高电平信号到双稳18和计算部分单片机24，这一信号使双稳18复位其输出Q为低电平，将与门17、与门12关门，使上述超声波逆循环停止，计数部21也停止计数，使超声波流量计逆循环采样周期结束，这一信号输入到计算部分单片机24的A后，引起单片机24进入中断子程序。

发送部1驱动顺流方向超声波发射振子28发射超声波穿过mo-oo′-o′m′路径，被顺流超声波接收振子29接收，再经接收部2放大后，被正波峰检测器3检出正波峰时刻并输出一高电平信号，分别输入到或门7和单片机异步计数器13，输入到或门7的信号通过或门7，再通过与门11到发送部1，形成超声波顺循环，设其超声波顺循环频率为f_s，超声波顺循环周期为T_s。每循环一次，接收部2放大输入到正波峰检测器3检出正波峰后，输出到单片机异步计数器13的信号，就被单片机异步计数器13计数一次。在单片机异步计数器13内同样置入本发明“延长传距技术”中的正整数N，使单片机异步计数器13计数到N时，产生溢出中断，输出一高电平信号到双稳16复位其输出Q为低电平，将与门15、与门11关门，使上述超声波顺循环停止，计数部20也停止计数，使超声波流量计顺循环采样周期结束。

由于超声波流量计顺循环采样周期小于逆循环采样周期，所以超声波流量计采样周期也就应该取逆循环采样周期为基本周期，这就是为什么单片机异步计数器13和单片机异步计数器14都能产生溢出中断，而只有单片机异步计数器14的溢出中断信号输入到计算部分单片机24的A后，才能引起单片机24进入中断子程序的原因。

根据上述描述，可看出：

①每次采样周期的开始应由计算部分的单片机27的I/O口B端输出一高电平方波信号引起。

②每次采样周期的结束应由采样部分的单片机异步计数器13计数满N后产生溢出中断而结束。

③计数部20所计数即为(72)式、(77)式、(78)式中的N₁′             (81)

④计数部21所计数即为(72)式、(77)式、(78)式中的N₂′             (82)

⑤高频时基振荡器19的频率f＞＞f_s，高频时基振荡器19的频率f＞＞f_N

$\frac{1}{N}\&CenterDot;f_s=f_{\mathrm{sc}}$ $\frac{1}{N}\&CenterDot;f_N=f_{\mathrm{Nc}}$ (N为本发明“延长传距技术”中的正整数)f_sc、f_NC应分别满足(55)式 $T<\frac{1}{{2f}_c}$ 或采样周期的经验数据表0-1

即f_sc＞2f_c f_NC＞2f_c

(72)式、(77)式、(78)式中的N_τ″、N_τ′可进行精确测量后得值，即：

$\left.\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}=n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\&CenterDot;N=(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})\&CenterDot;f\&CenterDot;N\\ N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\&CenterDot;N=(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})\&CenterDot;f\&CenterDot;N\end{array}\right\}---\left(83\right)$

(83)式的整体测值后得。N_τ″、N_τ′值用于对单片机24编程使用。

(72)式、(77)式、(78)式中的N除应在采样过程中存入采样部分的单片机异步计数器13和单片机异步计数器14外，还应将N值和(72)式、(77)式、(78)式三式中的D、sinθ、2cosθ、

进行如下计算，

$\frac{\mathrm{ND}/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}{D}^2}{4}---\left(84\right)$

(84)式整体计算得值后用于对单片机24编程使用。

(77)式中的 对被测流体为片流(层流)或者雷诺数R_e＜2320时计算Q_t时，用于对单片机24编程使用。

(78)式中的

的n可通过下列计算而得：

由《流量测量技术及仪表》一书第28页(2-36)式

$\stackrel{\&OverBar;}{u}=\frac{2n}{2n+1}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_D$

和第24页(2-23)式

$R_e=\frac{u\&CenterDot;L\&CenterDot;\mathrm{\&rho;}}{\mathrm{\&eta;}}(=\frac{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{u}\&CenterDot;D}{\mathrm{\&eta;}})$

将该书(2-36)式代入该书的(2-23)式，得

$R_e=\frac{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;D}{\mathrm{\&eta;}}\&CenterDot;\frac{2n}{2n+1}\&CenterDot;u_D---\left(85\right)$

由该书的26页表2-12，n与雷诺数的关系可知，当在D、ρ、η不变的情况下，R_e已知时，n是对应已知的，也就是说(85)式中的u_D只能取唯一的值。反过来说，若在D、ρ、η不变的情况下，u_D的大小即可决定n的大小，其u_D和n是一一对应的(也即u_D和

是一一对应的)，而u_D正是本发明(72)式的u。

由(51)式R_e≤2320时为层流状态的

由(85)式u_D即(72)式的u对应的n或 用于对单片机24编程使用。

(72)、(77)、(78)式中的Δt_i即超声波流量计采样周期T_C如下计算：

Δt_i＝N₂′·T+(单片机24响应中断+禁止一切中断+单片机24

    输出信号锁存N₁′和N₂′+单片机24输出信号对计数部20

    和21清零+单片机24从I/O B端输出信号开始采样)指

    令所用时间                                         (86)

有了上述数据，即：

(81)式的数N₁′

(82)式的数N₂′

(83)式的数N_τ″、N_τ′

(84)式的数

(85)式的数n或

(86)式的数Δt_i

以及常数 和f就可以对计算部分的单片机24编制程序：使单片机24在进入中断程序后，禁止一切中断，从F输出信号锁存计数部20和21的采样值N₁′和N₂′，从C输出信号对计数部20和21清零，从I/O口B端输出一个高电平，使采样部分进入下一个采样周期，从D和E分别读入I/O接口芯片22和23的数N₁′和N₂′两个数，并和上述已有的其余有关各数在单片机24内完成(72)式u的计算和(77)、(78)式的Q_t的计算，将所计算u和Q_t值存入单片机24非易失存储器中，转入主程序。主程序主要完成开放中断和送显任务。

超声波流量计的运行、停止、上述有关常数的修改由键盘输入命令进行。

(实施例2)

图2是本发明的超声波流量计及其原理和技术的实施例2的原理框图。

实施例2的超声波流量计包括：发送部1、接收部2、正波峰检测器3、或门7、单稳8、与门11、单片机异步计数器13、与门15、双稳16、标准时基振荡器19、计数部20、I/O接口芯片22、单片机24、键盘显示接口芯片25、显示部26、键盘部27、流体流经流管35、超声波发射接收振子38、超声波发射接收振子39、电子模拟开关40、电子模拟开关41。

实施例2的超声波流量计大致可分为三部分；采样部分、计算部分和键盘显示部分。

采样部分由图2中的计数部20(异步计数器)及其左边各电路部件共同作成，计算部分由单片机24组成，采样部分和计算部分由I/O接口芯片22连接。

采样部分中，标准时基振荡器19和实施例1的超声波流量计的情况完全相同。

采样部分进行采样或不采样，由采样部分内的控制部件双稳16、单稳8、与门11、与门15、或门7进行控制(所有与门、或门均带施密特触发器)，而这些控制部件又有选择的直接或间接受采样部单片机异步计数器13和计算部分单片机24的控制。

实施例2的超声波流量计，超声波顺循环时，由超声波发射接收振子39担任发射超声波任务，超声波发射接收振子38担任超声波接收任务，此时电子模拟开关40的a与c接通，电子模拟开关41的a′与c′接通；而超声波逆循环时，由超声波发射接收振子38担任发射超声波任务，超声波发射接收振子39担任超声波接收任务，此时电子模拟开关40的a与b接通，电子模拟开关41的a′与b′接通。

图2所示的超声波流量计，由于超声波顺循环时和超声波逆循环时，都用了相同的采样部件组成的电路，所以超声波流量计顺循环采样和超声波流量计逆循环采样只有分时进行，这点与图1所示的实施例1的超声波流量计不同。

由于超声波流量计顺循环采样和超声波流量计逆循环采样是分时进行的，所以超声波流量计置入单片机异步计数器13的“延长传距技术”的正整数设为N′，只能是实施例1的超声波流量计置入单片机异步计数器13和14的“延长传距技术”的正整数N的一半，即 $N^{\&prime;}=\frac{N}{2},$ 这点与图1所示的实施例1的超声波流量计不同。

实施例2的超声波流量计，由于其“延长传距技术”的正整数 $N^{\&prime;}=\frac{N}{2},$ 所以(83)、(84)式应写为(83′)和(84′)

$\left.\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}=n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;}\&CenterDot;N=(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})\&CenterDot;f\&CenterDot;\frac{N}{2}\\ N_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=n_{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}\&CenterDot;N=(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})\&CenterDot;f\&CenterDot;\frac{N}{2}\end{array}\right\}---\left(83^{\&prime;}\right)$

$\frac{N^{\&prime;}D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4}=\frac{\frac{N}{2}\&CenterDot;D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4}---\left({84}^{\&prime;}\right)$

这点与图1所示的实施例1的超声波流量计不同。

实施例2的超声波流量计，由于超声波流量计顺循环采样和超声波流量计逆循环采样是分时进行的，所以超声波流量计的采样周期

    Δt_i＝(N₁′+N₂′)T+2×(单片机24响应中断+禁止一切中断+单片

    机24输出信号锁存N₁′和N₂′+单片机24输出信号对计数部20

    清零+单片机24从I/O B端输出信号开始采样)指令所用时间

                                                         (86′)

这点与图1所示的实施例1的超声波流量计不同。

图2所示的实施例2的超声波流量计，每个采样周期的开始必须由计算部分单片机24的I/O B端输出第一个高电平方波信号，同时联动电子模拟开关40和41，使其接通为超声波顺循环或超声波逆循环的形式。I/O口B端这一高电平信号输入到双稳16的置位端和单稳8，输入到双稳16的置位信号，使双稳16置Q端为高电平，打开与门15和与门11，与门15使标准时基振荡器19的高电平脉冲，通过与门15进入计数部20进行计数，与门11使：I/O口B端的高电平输入到单稳8使单稳8产生一正脉冲输出通过或门7后通过与门11输入到发送部1，激活发送部1驱动超声波发射接收振子39或38发射超声波，而在超声波发射接收振子39或38发射超声波的时候，超声波发射接收振子38或39就接收超声波，由接收部2放大后输入到正波峰检测器3检出正波峰时刻，输出一高电平到或门7和单片机异步计数器13，输入到或门7的信号通过或门7，再通过与门11输入到发送部1，使采样部分进入超声波顺循环或逆循环，超声波顺循环或逆循环 $N^{\&prime;}=\frac{N}{2}$ 次，由单片机异步计数器13计数满 $N^{\&prime;}=\frac{N}{2}$ 溢出一高电平信号，输入到双稳16和单片机24A端，使双稳16复位Q为低电平，将与门11和与门15关闭。与门15的关闭使计数部20的计数停止，超声波流量计顺循环采样周期和超声波流量计逆循环采样周期结束。输入到单片机24A端的高电平引起单片机24中断，单片机24在完成接受中断、禁止一切中断，单片机24从F输出信号锁存计数部20的计数值N₁′或N₂′，从C输出信号清零计数部20后，随后，从I/O口B端输出第二个高电平方波信号，同时联动电子模拟开关40和41，使其接通为和前次超声波循环相反的接法，让电路完成相反的超声波流量计采样周期。

由这样一对相反的超声波流量计循环采样周期的和，基本组成一次超声波流量计采样周期，以后情况递推。

由上所述，图2所示的实施例2的超声波流量计可以根据：

(81)式的N₁′(超声波流量计顺循环采样周期内计数部20所计采样值N₁′)

(82)式的N₂′(超声波流量计逆循环采样周期内计数部20所计采样值N₂′)

(83′)式的N_τ″、N_τ′

(84′)式的 $\frac{N^{\&prime;}D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4}=\frac{\frac{N}{2}\&CenterDot;D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4}\left({84}^{\&prime;}\right)$

(85)式的n或

(86′)式Δt_i＝(N₁′+N₂′)T+2×(单片机24响应中断+禁止一切中断+单片机24

    输出信号锁存N₁′和N₂′+单片机24输出信号对计数部20清零+单片

    机24从I/O B端输出信号开始采样)指令所用时间

以及常数

和f

就可以对计算部分的单片机24编制程序，使图2所示的实施例2的超声波流量计完成图1所示的实施例1的超声波流量计所完成的相同任务。

(实施例3)

图3是本发明的超声波流量计(热量计)及其原理和技术的实施例3的原理框图。

实施例3的超声波流量计(热量计)包括：图1所示的超声波流量计、温度敏感元件32、温度敏感元件33、放大器34、放大器36、A/D接口芯片37。

实施例3的超声波流量计(热量计)中的超声波流量计部分的结构、原理、技术、测量过程和实施例1所述的超声波流量计完全相同。

实施例3的超声波流量计(热量计)中的温度敏感元件32、温度敏感元件33、放大器34、放大器36、A/D接口芯片37和单片机24、键盘显示接口芯片25、显示部26、键盘27组成温度测量计。

温度测量计由温度敏感元件32和温度敏感元件33将其所在处的流体温度转为电信号此两信号分别由放大器34和放大器36放大后，送入A/D接口芯片37进行模数转换，转换后的数字信号输入到单片机24，根据这两个数字，由单片机24对温度敏感元件32和温度敏感元件33所在处的流体温度进行计算，设其计算值为t₁和t₂，且这两个温度值采样的时刻和本机中超声波流量计中采样N₁′和N₂′的时刻一致(时序上前后相临).

由图3所示的实施例3的超声波流量计(热量计)所测得的流体体积Q_t和上述温度测量计2所测得的流体温度t₁和t₂，以及流体已知密度ρ，就可对流体上游温度敏感元件33和下游温度敏感元件32之间的流体，通过流体流经流管35向外散热量J_s或吸热量J_x进行计算.其计算式：

                J_s＝cm_t(t₂-t₁)

                  ＝c·Q_t·ρ·(t₂-t₁)

                J_x＝cm_t(t₁-t₂)

                  ＝c·Q_t·ρ·(t₁-t₂)

式中c是被测流体比热，m_t是体积为Q_t的流体的质量。

根据本发明超声波流量计及其原理和技术的原理式和上述J_s或J_x，对单片机24编制程序，即可实现被测流体流速u、流量Q_t、流体J_s与J_x的测量。

(实施例4)

图4是本发明的超声波流量计(热量计)及其原理和技术的实施例4的原理框图。

实施例4的超声波流量计(热量计)包括：图2所示的超声波流量计和图3所示的温度测量计。

实施例4的超声波流量计(热量计)中的超声波流量计的结构、原理、技术、测量过程和实施例2所述的超声波流量计完全相同；实施例4中的温度测量计的结构、原理、技术、测量过程和实施例3所述的温度测量计完全相同。

由图4所示的实施例4的超声波流量计(热量计)中的超声波流量计所测流体体积Q_t和本机的温度测量计所测得的流体温度t₁和t₂，以及流体已知密度ρ，根据本发明超声波流量计及其原理和技术的原理式、上述J_s与J_x的原理式，对单片机24编制程序，使图4所示的实施例4的超声波流量计(热量计)完成图3所示的实施例3的超声波流量计(热量计)所完成的相同任务。

Claims (11)

1一种超声波流量计及其原理和技术，包括：超声波流量计、原理、技术，其特征在于：超声波流量计包括采样部分、计算部分、键盘显示部分，通过分别检测超声波流量计顺循环采样周期内和超声波流量计逆循环采样周期内标准时基振荡器19的震荡次数，即采样部分计数部20和计数部21的采样计数值N₁′、N₂′，在计算部分的单片机24内，运用本发明超声波流量计流速和流量的测量原理和本发明“延长传距技术”进行计算，实现流体流速和流量的测量。

2、如权利要求1所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：超声波流量计每次采样开始应由计算部分的单片机24的I/O口B端输出一高电平方波信号引起，超声波流量计每次采样的结束应由采样部分的单片机异步计数器14计数满N后产生溢出中断而结束；采样部分采样或不采样，由采样部分的控制部件双稳16、双稳18、单稳8、单稳10、与门11、与门12、与门15、与门17、或门7、或门9进行控制，而这些控制部件又有选择地直接或间接受采样部分内单片机异步计数器13(或异步计数器)、单片机异步计数器14(或异步计数器)和计算部分的单片机24的控制；由于超声波流量计顺循环采样周期小于逆循环采样周期，所以超声波流量计采样周期也就基本应以逆循环采样周期为周期，这就是为什么单片机异步计数器13和单片机异步计数器14都能产生溢出中断，而只需单片机异步计数器14的溢出中断输入到计算部分单片机24的A后，引起单片机24进入中断子程序的原因。

3、如权利要求1-2所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：在采样部分中，标准时基振荡器19不受超声波流量计其余部件和流体流速控制，只要接通电源，就不停地进行振荡，输出远远高于超声波顺循环和超声波逆循环频率的高频方波脉冲系列，且这一频率是恒定频率f。

4、如权利要求1-3所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：计数部20和计数部21在超声波流量计中采样部分的使用。

5、如权利要求1-4所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：单片机异步计数器13和单片机异步计数器14内所置正整数N(即将N值编入单片机13和14的程序中)是本发明“延长传距技术”所说的N。

6、如权利要求1-5所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：设超声波顺循环频率为f_s，超声波逆循环频率为f_N，超声波流量计顺循环采样频率为f_sc，超声波流量计逆循环采样频率为f_NC，应有

                        高频时基振荡器19的频率ff_s

                        高频时基振荡器19的频率ff_N

$\frac{1}{N}\&CenterDot;f_s=f_{\mathrm{sc}}$

$\frac{1}{N}\&CenterDot;f_N=f_{\mathrm{Nc}}$

N为本发明“延长传距技术”中的正整数N，

f_sc、f_NC应分别满足(55)式 $T<\frac{1}{2f_c}$ 或采样周期的经验数据表0-1

即

               f_sc＞2f_c

               f_NC＞2f_c

7、如权利要求1-6所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：原理推导过程的(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(19)、(34)、(20)、(21)、(24)、(36)等式子：

即

                c＝f·λ                          (11)

$\frac{u}{\mathrm{\&lambda;}}=n---\left(12\right)$

$c+u\cos \mathrm{\&theta;}=\mathrm{f\&lambda;}+\mathrm{n\&lambda;}\cos \mathrm{\&theta;}$

$=f(1+\frac{n\cos \mathrm{\&theta;}}{f})\mathrm{\&lambda;}---\left(13\right)$

$c-u\cos \mathrm{\&theta;}=\mathrm{f\&lambda;}-\mathrm{n\&lambda;}\cos \mathrm{\&theta;}$

$=f(1-\frac{n\cos \mathrm{\&theta;}}{f})\mathrm{\&lambda;}---\left(14\right)$

$f(1+\frac{n\cos \mathrm{\&theta;}}{f})\mathrm{\&lambda;}=f{\mathrm{\&lambda;}}_1---\left(15\right)$

$f(1-\frac{n\cos \mathrm{\&theta;}}{f})\mathrm{\&lambda;}=f{\mathrm{\&lambda;}}_2---\left(16\right)$

                2u cosθ＝f(λ₁-λ₂)              (19)

                2c＝f(λ₁+λ₂)                    (34)

将(13)、(14)、(15)、(16)式代入

$\left.\begin{array}{c}{t}_1=\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{c+u\cos \mathrm{\&theta;}}\\ t_2=\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{c-u\cos \mathrm{\&theta;}}\end{array}\right\}---\left(8\right)$

的 $\left.\begin{array}{c}{t}_{1}f=\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}\\ t_{2}f=\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}\end{array}\right\}---\left(20\right)$

$\left.\begin{array}{c}{t}_{1}f=n_1\\ t_{2}f=n_2\end{array}\right\}---\left(21\right)$

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\&CenterDot;\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(24\right)$

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\&CenterDot;\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{2}\&CenterDot;f---\left(36\right)$

8、如权利要求1-7所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：不考虑流体流经流管35上侧和下侧所用时间τ、顺循环电路延迟时间τ′和逆循环电路延迟时间τ″时流体流速u和超声波于流体中的波速c的测量原理式(39)、(41)式

$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})\&CenterDot;\frac{D/\mathrm{si}\mathrm{n\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(39\right)$

$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f---\left(41\right)$

考虑流体流经流管35上侧和下侧所用时间τ、顺循环电路延迟时间τ′和逆循环电路延迟时间τ″时流体流速u和超声波于流体中的波速c的测量原理式(68)、(69)式

$u=(\frac{1}{{n_1}^{\&prime;}-{n_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}}-\frac{1}{{n_2}^{\&prime;}-{n_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{D/\mathrm{si}\mathrm{n\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(68\right)$

$c=(\frac{1}{{n_1}^{\&prime;}-{n_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}}+\frac{1}{{n_2}^{\&prime;}{-n_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f---\left(69\right)$

将“延长传距技术”分别应用于不考虑及考虑流体流经流管35上侧和下侧所用时间τ、顺循环电路延迟时间τ′和逆循环电路延迟时间τ″时流体流速u、超声波于流体中的波速c、流体流量Q_t的测量原理式，

当不考虑τ、τ′、τ″时，

流体流速(40)、(45)式

$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;D/\mathrm{si}\mathrm{n\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(40\right)$

$u=(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;L}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;---\left(45\right)$

超声波于流体中的波速，(42)式

$c=(\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;D/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f---\left(42\right)$

流体流量，(59)、(60)、(61)、(62)式

考虑τ、τ′、τ″时：

流体流速，(72)、(76)式

$u=(\frac{1}{{N_1}^{\&prime;}-{N_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}}-\frac{1}{{N_2}^{\&prime;}-{N_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{\mathrm{ND}/\sin \mathrm{\&theta;}}{2\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;f---\left(72\right)$

$u=(\frac{1}{{T_1}^{\&prime;}-{T_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}}-\frac{1}{{T_2}^{\&prime;}-{T_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{N\&CenterDot;L}{2\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(76\right)$

超声波于流体中波速，(73)式

$c=(\frac{1}{{N_1}^{\&prime;}-{N_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}}+\frac{1}{{N_2}^{\&prime;}{-N_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}})\&CenterDot;\frac{\mathrm{ND}/\sin \mathrm{\&theta;}}{2}\&CenterDot;f---\left(73\right)$

流体流量，(77)、(78)、(79)、(80)式

9、如权利要求1-8所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：“延长传距技术”是超声波流量计测量流体流速u时，延长超声波在流体中的传播距离，简称“延长传距技术”，此技术的实施方法是分别对(39)式、(41)式、(68)式、(69)式、(6)式[即 $u=\frac{L}{2\cos \mathrm{\&theta;}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})]$ 等式右边式子的分子和分母同乘以一个正整数N，使超声波在有限管径中的传播距离D/sinθ和L皆扩大N倍，从而分别得到(40)式、(42)式、(72)式、(73)式、(76)式等测量原理式；

并运用

$Q_i={\stackrel{\&OverBar;}{u}}_i\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{t}_i---\left(48\right)$

$Q_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_i\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{t}_i,(i=\mathrm{1,2,3},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;n)---\left(49\right)$

$R_e=\frac{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_i\&CenterDot;D}{\mathrm{\&eta;}}---\left(50\right)$

当

R_e≤2320时                     (51)

${\stackrel{\&OverBar;}{u}}_i=\frac{3}{4}u---\left(53\right)$

当

R_e＞2320时                     (52)

${\stackrel{\&OverBar;}{u}}_i=\frac{2n}{2n+1}u---\left(54\right)$

$R_e=\frac{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;D}{\mathrm{\&eta;}}\&CenterDot;\frac{2n}{2n+1}\&CenterDot;u_D---\left(85\right)$

得出(59)、(60)、(61)、(62)式及(77)、(78)、(79)、(80)等测量原理式；“延长传距技术”所乘的正整数N不能无限制地增大，应受“香农采样定理”所确定的

$T<\frac{1}{2f_c}---\left(55\right)$

(55)式的约束；

其正整数N值的确定，应从(55)式结合实际先确定T，再从

$t_2=\frac{{\mathrm{oo}}^{\&prime;}}{c-u\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(8\right)$

中用测量流体流速时的最大流速u_max时确定t_2max，再用

$N_{\min }=\frac{T}{t_{2\max }}---\left(58\right)$

取N_min的正整数值为“延长传距技术”的正整数N值，正整数N值可以小于N_min，但取N_min为宜。

10、如权利要求1-9所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：N_τ″、N_τ′用

$\left.\begin{array}{c}{N_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}={n_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;\&prime;}\&CenterDot;N=(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;\&prime;})\&CenterDot;f\&CenterDot;N\\ {N_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}={n_{\mathrm{\&tau;}}}^{\&prime;}\&CenterDot;N=(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})\&CenterDot;f\&CenterDot;N\end{array}\right\}---\left(83\right)$

整体测值后用于单片机24编程使用。

11、如权利要求1-10所述的超声波流量计及其原理和技术，其特征在于：(76)、(79)、(80)式可以分别通过(72)、(77)、(78)式右边式子的分子和分母同乘以标准时基振荡器14频率为f时的振荡周期T而得。

Images